CN103245595A - 评价水泥浆防窜能力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种评价水泥浆防窜能力的方法，其包括以下步骤：测量水泥浆静胶凝强度过渡时间；测量气窜流量及对应气窜时水泥浆柱顶部压力与底部压力，并根据计算出水泥浆气侵危险时间内渗透率；根据结合所述水泥浆强度过渡时间，求解得到气窜距离；本发明提供的评价水泥浆防窜能力的方法通过气窜数学模型（气体渗流方程），适用于不含有发气剂的水泥浆体系，能实现固井水泥浆体系设计前对其渗透率提出具体的参数指标，以满足固井设计要求，减小和防止气窜的发生。

Description

评价水泥浆防窜能力的方法

技术领域

本发明涉及水泥浆防窜性能评价技术领域，特别涉及一种评价水泥浆防窜能力的方法。

背景技术

气窜也称为气体连通或气体泄漏（Carter等，1970年）、环空气体流动（Garcia和Clark，1976年）、气窜（Parcevaux等，1983年）、固井后流动（Webster和Eikerts，1979年）或气体侵入（Bannister等，1983年），是由于固井后环形空间有效液柱压力低于气层压力，造成气体侵入并沿环空向井口运移的现象。气窜几乎是所有天然气井固井都存在的一个潜在问题，气体在井下高低压层间窜流会造成油气资源损失，而窜至井口轻则使井口带一定压力，严重时井口冒油冒气甚至发生不可控井喷，可能导致一口井的报废。固井后环空气窜(GAS FLOW IN ANNULARS AFTERCEMENTTING)是一个多年来困扰世界石油工程界，至今仍未能很好解决的技术难题。

地质特性、储层物性、井眼条件、钻井液、固井工艺、水泥浆材料体系与设计、注水泥工具与顶替工艺技术措施、井口装备等，使保证固井质量成为一项典型的复杂系统工程；水泥是固井的主要材料，探寻水泥浆防窜关键性能参数及评价方法，最终形成量化设计指标，既是提高水泥浆防窜能力的关键，又是对这一难题的挑战。目前，国内防窜评价方法众多，基本沿用国外观点，方法莫衷一是。水泥是一种水硬性时变胶凝材料，其转变为液塑状态后，是发生气侵的危险时期，水泥浆结构由凝聚网向结晶网转化，组织、结构、性能异常复杂，没有经典的、可依据的成熟理论；许多天然气井采用目前流行的防窜措施严格控制了水泥浆体系失水和稠化过渡时间，固井后仍然发生了气窜现象；而对于水泥浆由液态转为液塑态这一危险时期内，水泥浆渗透率的变化对水泥浆防窜性能的影响尚无研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种满足固井设计要求，减小和防止气窜的发生的评价水泥浆防窜能力的方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种评价水泥浆防窜能力的方法，其包括：

测量水泥浆静胶凝强度过渡时间；

测量气窜流量及对应气窜时水泥浆柱顶部压力与底部压力，并根据下式计算出水泥浆气侵危险时间内渗透率：

$k=\frac{2p_3\mathrm{qL\μ}}{(p_3^2-p_2^2)A}$ ，式中，

所述k表示渗透率，单位为mD；

所述p₂表示气窜试验时施加在水泥浆柱顶部压力，所述p₃表示气窜试验时施加在水泥浆柱底部压力，单位为Pa；

所述μ表示气体粘度，单位为Pa·s；

所述A表示水泥浆柱截面积，单位为m²；

所述L表示水泥浆柱长度，单位为m；

所述q表示气窜流量，单位为m³/s；

根据下式，结合所述水泥浆静胶凝强度过渡时间，求解得到气窜距离：

$\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dt}}=-\frac{k}{\mathrm{\μ}}\frac{\frac{p_1^2-p_0^2}{z_1}}{2\sqrt{\frac{p_1^2-p_0^2}{z_1}}z+p_0^2},$

z(0)=0，表示初始时刻的气窜距离为0，

式中，所述z表示气窜距离，单位为m；z₁表示裸眼段高压气层垂深，单位为m；

所述t表示测量水泥浆静胶凝强度过渡时间，单位为s，

所述p₀表示裸眼段低压气层垂深，所述p₁表示裸眼段高压气层压力，单位为Pa。

进一步地，所述评价水泥浆防窜能力的方法还包括当气窜距离超过10m时，控制气窜距离不超过10m。

进一步地，所述控制气窜距离不超过10m包括在所述静胶凝强度过渡时间超过40分钟时，改变缓凝剂类型或添加早强剂缩短静胶凝强度过渡时间。

进一步地，所述缓凝剂类型包括木质素磺酸盐类，羟基羧酸及其盐类，及糖类化合物。

进一步地，所述木质素磺酸盐类是木质素磺酸铵。

进一步地，所述羟基羧酸及其盐类包括酒石酸、柠檬酸或水杨酸。

进一步地，所述糖类化合物包括葡萄糖酸钠或葡萄糖酸钙。

进一步地，所述控制气窜距离不超过10m包括在气窜实验测得水泥浆在气侵危险时间内的渗透率超过100mD时，进一步控制水泥浆API失水，降低到30mL以内，并采用成膜降失水剂或加入胶乳类处理剂，降低渗透率。

本发明提供的评价水泥浆防窜能力的方法，利用静胶凝强度实验得到的水泥浆静胶凝强度过渡时间，带入气窜距离计算公式，迭代求解计算出水泥浆渗透率，可作为水泥浆防窜性能参数指标，指导水泥浆体系设计，降低气窜风险。

附图说明

图1是区块A177.8mm尾管固井水泥浆气侵距离与渗透率关系曲线（水泥浆密度2.30g/cm³）。

图2是区块B177.8mm尾管固井水泥浆气侵距离与渗透率关系曲线（水泥浆密度2.35g/cm³）。

图3是区块C127mm尾管固井水泥浆气侵距离与渗透率关系曲线（水泥浆密度2.15g/cm³）。

图4是区块D177.8mm套管固井水泥浆气侵距离与渗透率关系曲线（水泥浆密度1.90g/cm³）。

图5是区块E177.8mm尾管固井水泥浆气侵距离与渗透率关系曲线（水泥浆密度2.20g/cm³）。

具体实施方式

水泥浆常规性能必须满足施工要求，这是进行防窜能力评价的前提。

根据GB/T19319《油井水泥试验方法》、GB/T10238《油井水泥》，对水泥浆常规性能提出如表1所示的以下要求：

表1水泥浆基本工程性能要求

在满足常规工程性能技术上，本发明针对水泥浆在液塑态时地下气体的特性所建立气窜数学模型（气态渗流方程），并通过气窜仪测试进行计算，对水泥浆体系的渗透率进行调整。

当气窜临界距离达到10m时（层间距），认为发生严重气窜。因此，以10m作为气侵临界距离。气体在水泥浆中的窜流问题可以近似看成是气体在多孔介质中的渗流问题，是气体进入水泥浆基体置换孔隙中的自由水的过程。气体渗流速率的高低取决与水泥浆抗窜能力——渗透率。但是气体渗流远复杂于液体渗流，因为气体是可压缩流体，在渗流过程中因压力的改变密度、粘度等参数均会发生改变，为分析气体渗流规律，需要建立气相渗流方程。

假设气体渗流满足达西定律，渗流速度计算如式（1）所示：

，其中，u表示渗流速度，m/s；k表示渗透率，单位为mD；μ表示气体粘度，单位为Pa·s；

气体是理想气体，根据理想气体密度计算公式，可得：

，其中，ρ表示气体密度，kg/m³；P表示气体压力，单位为Pa；M_g表示气体摩尔质量，kg/mol；R表示气体状态常数，单位为8.314m²/(s²·K)；T表示气体绝对温度；

气体渗流满足一维连续性方程（孔祥言.高等渗流力学[M].合肥：中国科学技术大学出版社，1999）：

$\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{\ρu}\right)=0---\left(3\right)$

将渗流速度计算公式（1）和气体密度计算公式（2）代入方程（3）左端。根据假设层间距仅为10m，气窜过程可视为等温渗流。渗透率、粘度及温度是常量，得到式（4）：

$\frac{{\mathrm{kM}}_g}{\mathrm{\μRT}}\frac{\∂}{{\∂}_z}\left(p\frac{{\∂}_p}{{\∂}_z}\right)=0---\left(4\right)$

为求解式（4）二阶微分方程需要设定2个合理的边界条件。第一个边界条件，考虑气体从高压层窜至低压层的物理过程，低压层位置处水泥浆柱孔隙压力与低压层压力相等：

，其中，z，z₀分别表示气窜距离、低压层位置，单位为m；

第二个边界条件，高压层位置处，由于气体侵入，水泥浆柱孔隙压力与高压气层压力相等：

，其中，z₁表示高压层位置，单位为m；

方程（4）、（5）、（6）构成了描述气体在水泥浆柱内渗流的数学物理模型，通过求解得到水泥浆柱内压力分布：

$\mathrm{\ρ}=\sqrt{\frac{p_1^2-p_0^2}{z_1-z_0}(z-z_0)+p_0^2}---\left(7\right)$

将z₀处设置为坐标原点，即z₀=0，将压力分布表达式（7）代入达西渗流方程（1）得到不同位置速度分布：

$u=-\frac{k}{\mathrm{\μ}}\frac{\frac{p_1^2-p_0^2}{z_1}}{2\sqrt{\frac{p_1^2-p_0^2}{z_1}}z+p_0^2}---\left(8\right)$

速度与气窜距离满足以下微分方程：

$u=\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dt}}---\left(9\right)$

将速度计算公式（9）代入速度分布公式（8）左端，得到气窜距离计算公式：

$\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dt}}=-\frac{k}{\mathrm{\μ}}\frac{\frac{p_1^2-p_0^2}{z_1}}{2\sqrt{\frac{p_1^2-p_0^2}{z_1}}z+p_0^2}---\left(10\right)$

初始时刻，气窜距离显然为0，因此得到初始条件：

z(0)=0    (11)

在计算水泥浆渗透率时，可先使用北京东方欧科应用技术有限公司生产的OWC-0480型油井水泥失重与气/液窜模拟测试仪测量气窜流量，及对应气窜时水泥浆柱顶部压力与底部压力，再采用式（12）计算出水泥浆气侵危险时间内渗透率：

$k=\frac{2p_3\mathrm{qL\μ}}{(p_3^2-p_2^2)A}---\left(12\right)$

根据式（10）、（11）、（12），并结合测量得到的水泥浆静胶凝强度过渡时间可求解出任何时刻气窜距离。水泥浆静胶凝强度过渡时间可用静胶凝强度分析仪测量得到。

式中：

u—渗流速度，m/s；

p、p₀、p₁、p₂、p₃—分别表示水泥浆柱孔隙压力、低压层压力和高压层压力，气窜试验时水泥浆顶部和底部压力，单位为Pa；

z，z₀、z₁—分别表示气窜距离、低压层位置、高压层位置，单位为m；

t—时间，单位为s；

ρ—气体密度，单位为kg/m³；

k—渗透率，单位为mD；

M_g—气体摩尔质量，单位为kg/mol；

R—气体常数，单位为8.314m²/(s²·K)；

T—气体温度，单位为K；

μ—气体粘度，单位为Pa·s；

A—水泥浆柱截面积，单位为m²；

L—水泥浆柱长度，单位为m；

q—气窜流量，单位为m³/s。

采用北京东方欧科应用技术有限公司生产的OWC—0480型油井水泥失重与气/液窜模拟测试仪考察水泥浆的防窜能力。利用气体渗流方程模型和气窜仪，对五个不同区块的水泥浆体系进行了试验。表2中实例1、实例2、实例3、实例4和实例5的实验结果分别对应图1、图2、图3、图4和图5。表2列举了5口井水泥浆防窜性能设计，5套水泥浆静胶凝强度过渡时间为109min，采用本水泥浆防窜能力评价方法，计算出为保证气窜距离小于10m对应的水泥浆气侵危险时间内渗透率。

表2水泥浆气侵距离和渗透率测试结果

本发明实施例提供的评价水泥浆防窜能力的方法，在计算出气窜距离超过10m时，还采取以下方式控制气窜距离不超过10m：

1）在静胶凝强度过渡时间超过40分钟时，改变缓凝剂类型或添加早强剂缩短静胶凝强度过渡时间。缓凝剂类型包括木质素磺酸盐类，羟基羧酸及其盐类，及糖类化合物。木质素磺酸盐类是木质素磺酸铵。羟基羧酸及其盐类包括酒石酸、柠檬酸或水杨酸。糖类化合物包括葡萄糖酸钠或葡萄糖酸钙。

2）在气窜实验测得水泥浆在气侵危险时间内的渗透率超过100mD时，进一步控制水泥浆API失水，降低到30mL以内，并采用成膜降失水剂或加入胶乳类处理剂，降低渗透率。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种评价水泥浆防窜能力的方法，其特征在于，包括：

测量水泥浆静胶凝强度过渡时间；

测量气窜流量及对应气窜时水泥浆柱顶部压力与底部压力，并根据下式计算出水泥浆气侵危险时间内渗透率：

$k=\frac{2p_3\mathrm{qL\μ}}{(p_3^2-p_2^2)A}$ ，式中，

所述k表示渗透率，单位为mD；

所述p₂表示气窜试验时施加在水泥浆柱顶部压力，所述p₃表示气窜试验时施加在水泥浆柱底部压力，单位为Pa；

所述μ表示气体粘度，单位为Pa·s；

所述A表示水泥浆柱截面积，单位为m²；

所述L表示水泥浆柱长度，单位为m；

所述q表示气窜流量，单位为m³/s；

根据下式，结合所述水泥浆静胶凝强度过渡时间，求解得到气窜距离：

$\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dt}}=-\frac{k}{\mathrm{\μ}}\frac{\frac{p_1^2-p_0^2}{z_1}}{2\sqrt{\frac{p_1^2-p_0^2}{z_1}}z+p_0^2},$

式中，所述z表示气窜距离，单位为m；z₁表示裸眼段高压气层垂深，单位为m；

所述t表示时间，单位为s，

所述p₀表示裸眼段低压气层垂深，所述p₁表示裸眼段高压气层压力，单位为Pa。

2.根据权利要求1所述的评价水泥浆防窜能力的方法，其特征在于，还包括：

当气窜距离超过10m时，控制气窜距离不超过10m。

3.根据权利要求1所述的评价水泥浆防窜能力的方法，其特征在于，所述控制气窜距离不超过10m包括：

在所述静胶凝强度过渡时间超过40分钟时，改变缓凝剂类型或添加早强剂缩短静胶凝强度过渡时间。

4.根据权利要求2所述的评价水泥浆防窜能力的方法，其特征在于，

所述缓凝剂类型包括木质素磺酸盐类，羟基羧酸及其盐类，及糖类化合物。

5.根据权利要求4所述的评价水泥浆防窜能力的方法，其特征在于，所述木质素磺酸盐类是木质素磺酸铵。

6.根据权利要求4所述的评价水泥浆防窜能力的方法，其特征在于，所述羟基羧酸及其盐类包括酒石酸、柠檬酸或水杨酸。

7.根据权利要求4所述的评价水泥浆防窜能力的方法，其特征在于，所述糖类化合物包括葡萄糖酸钠或葡萄糖酸钙。

8.根据权利要求1所述的评价水泥浆防窜能力的方法，其特征在于，所述控制气窜距离不超过10m包括：

在气窜实验测得水泥浆在气侵危险时间内的渗透率超过100mD时，进一步控制水泥浆API失水，降低到30mL以内，并采用成膜降失水剂或加入胶乳类处理剂，降低渗透率。

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